Ciclo Stirling Y Ciclo Ericsson

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

Termodinámica y principios de transferencia de calor

Ciclo Stirling y ciclo Ericsson

Fecha de entrega: 19/11/2013

Pérez Catalán Raúl Octavio

Introducción

Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isotrópicos son reemplazados por procesos de regeneración.

La condición para que el proceso de regeneración sea posibles es la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente o sumidero de energía térmica que nunca debe exceder una cantidad diferencial de temperatura, dT durante cualquier proceso de transferencia de calor.

La definición de un proceso de regeneración es la siguiente:

 Proceso durante el cual se transfiere calor a un dispositivo, llamado Regenerador, durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo.

 Podemos observarlo en el diagrama PV de ambos ciclos.

Ciclo Stirling Ciclo Ericsson

Ciclo Stirling.

En 1816 el reverendo Escocés Robert Stirling patentó un motor que funcionaba con aire caliente.

La patente de este motor era el glamuroso final de una serie de intentos de simplificar las máquinas a vapor.

Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo en un motor, condensarlo y mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad.

El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para pequeñas máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de agua etc.., su potencia especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos..

Ejecución del ciclo Stirling

 1-2 Expansión a T = constante (adición de calor de una fuente externa). Se añade calor al gas a TH de una fuente a TH. El gas se expande isotérmicamente (el embolo de la izquierda se mueve hacia afuera), efectúa trabajo y la presión del gas disminuye.

 2-3 Pregeneración a v = constante (transferencia de calor interna del fluido de trabajo al regenerador). Los dos émbolos se mueven hacia la derecha a la misma velocidad (volumen constante), el gas es empujado hacia la cámara derecha. Cuando el gas pasa por el regenerador se transfiere calor al regenerador y el gas disminuye temperatura de TH a TL (diferencia de temperatura entre el gas y regenerador no debe ser mayor de dT). Temperatura del Regenerador del lado izquierdo es TH y la temperatura del fluido del lado derecho es TL

 3-4 Compresión a T = constante (rechazo de calor en un sumidero externo). El émbolo de la derecha se mueve hacia adentro y comprime el gas. Transferencia de calor del gas al sumidero a TL, mientras aumenta la presión.

 4-1 Regeneración a v = constante (transferencia de calor interna de un regenerador de nuevo al fluido de trabajo). Los dos émbolos se mueven hacia la izquierda a velocidad constante para mantener el volumen constante y empujan el gas hacia la cámara izquierda. La temperatura del gas aumenta de TL a TH al pasar por el regenerador y toma la energía térmica almacenada anteriormente en el proceso 2-3 y se da por completo el ciclo.

(Diagramas TS y PV del ciclo Stirling)

Características.

a) Sistema de cilindro con dos émbolos a los lados y un regenerador en medio.

b) El regenerador es un tapón poroso con alta masa térmica (masa por calor específico), puede ser una malla metálica o de cerámica.

c) Masa de fluido dentro del Regenerador en cualquier instante se considera despreciable

d) Fluido de Trabajo es un gas.

e) No son prácticos: Necesitarían la transferencia ideal de calor a T=cte. Esto requeriría superficies muy grandes o un tiempo infinito

Ventajas.

a) Combustión externa (se puede quemar cualquier combustible para calentar el motor)

b) No hay explosión

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